Химический способ закрепления грунтов это

Закрепление грунтов — это искусственное преобразование строительных свойств грунтов, используемых в строительстве, различными физико-химическими способами в условиях их естественного залегания.

Искусственное преобразование грунтов предполагает увеличение их прочности, устойчивости, уменьшение водопроницаемости, сжимаемости, а также ослабление чувствительности природной прочности грунтов к изменению внешней среды, особенно влажности.

Рациональное применение физико-химических способов закрепления грунтов на современном уровне их развития решает следующие вопросы строительной практики:

– усиление фундаментов под существующими сооружениями;
– строительство промышленных и гражданских сооружений на просадочных грунтах;
– вскрытие насухо котлованов в водонасыщенных грунтах;
– проходка подземных выработок;
– создание противофильтрационных завес в аллювиальных грунтах в связи со строительством на них высотных земляных и каменнонабросных плотин;
– защита бетонных сооружений (фундаментов) от вредного влияния агрессивных грунтовых вод нагнетанием (инъекции) в грунты затвердевающих химических реагентов, а также введением специальных противокоррозионных добавок в грунты обратной засыпки;
– увеличение несущей способности свай и опор большого диаметра последующим закреплением грунта ниже их конца [19, 45].

В зависимости от требований, предъявляемых к закрепленному грунту, можно выделить две категории способов:

– быстро и прочно закрепляющие грунты. К ним относятся двухрастворная силикатизация, однорастворная силикатизация с применением кремнефтористоводородной кислоты, однорастворная силикатизация лессов, смолизация и инъекция цементно-глинистых растворов;
– придающие грунтам водонепроницаемость и малую прочность. К ним относятся случаи использования глино-силикатных, глиноалюмосиликатных и силикатных тампонажных растворов [30].

Закрепление осуществляется нагнетанием в грунт под давлением через скважины-инъекторы маловязких химических растворов, а также воздействием на грунт электрического тока, нагреванием и охлаждением. Химические растворы с течением времени затвердевают, превращая водонепроницаемый грунт в камень.

Основным критерием, необходимым при выборе способа закрепления грунтов, является их проницаемость, характеризующаяся коэффициентом фильтрации. Чем меньше коэффициент фильтрации грунта, т.е. чем меньше его проницаемость, тем труднее осуществлять инъекцию химических растворов. Поэтому инъекции легко поддаются трещиноватые, кавернозные несвязные грунты с достаточно высоким коэффициентом фильтрации и практически исключаются глины и илы, проницаемость которых ничтожно мала.

Для того чтобы инъекция стала возможной, необходимо соблюдать строгое соотношение между размерами частиц раствора и инъектируемой среды. Это соотношение соответствует полному пропитыванию среды и основывается не только на проницаемости первой, но и на вязкости применяемых химических растворов: чем меньше вязкость, тем выше их проникание. При глубинном закреплении не нарушается естественное сложение грунтов. Для глубинного воздействия на грунты используются указанные выше способы.

Химическое закрепление долговечно и имеет ряд преимуществ по сравнению с другими способами (замораживанием, кессонным и др.). Основные преимущества:

– простота производства работ;
– портативность применяемого оборудования;
– короткие сроки выполнения работ;
– возможность закрепления грунта на любой глубине без проведения каких-либо специальных выработок и земляных работ;
– вероятность проведения подземных работ без прекращения эксплуатации здания или сооружения.

Выше приведена классификация способов закрепления грунтов, предложенная д.т.н., проф. Б. А, Ржаницыным, проиллюстрированная рис. VIII-1. В этой классификации указаны химические реагенты, используемые в различных рецептурах, границы применения этих рецептур, характер геля и закрепления.

По горизонтали в таблице приведены наименования грунтов и величина их коэффициента фильтрации. При этом наиболее крупнозернистые, более проницаемые грунты расположены в левой части таблицы с постепенным уменьшением их водопроницаемости по направлению к глинам, помещенным в правой части таблицы. Исходные материалы для закрепления грунтов представлены цементом, силикатом и смолами. Введение химических растворов в глинистые грунты осуществляется под действием постоянного электрического тока.

Для хорошо проницаемых грунтов разработана рецептура цементно-глинистых растворов. Поскольку современный помол цемента не позволяет цементным частицам проникать в поры песков, то закрепляются эти грунты раствором, состоящим из силиката и глины. При этом в зависимости от качества используемой глины границы применимости характеризуются грунтами с коэффициентом фильтрации 50—100 м/сут для местных глин в 20—50 м/сут для бентонитовых глин.

Для прочного закрепления песчаных грунтов разработан способ, основанный на поочередном нагнетании двух растворов: силиката натрия и хлористого кальция. В результате химической реакции между этими двумя растворами в порах песчаного грунта выделяется гель кремневой кислоты, грунт быстро закрепляется, становится водонепроницаемым с прочностью закрепления 1,5—5 МПа, а само закрепление долговечно.

Для мелкозернистых песчаных грунтов, имеющих коэффициент фильтрации 0,5—5 м/сут, разработан способ однорастворной силикатизации с помощью фосфорной кислоты, серной кислоты и сернокислого алюминия, алюмината натрия, кремнефтористоводородной кислоты. При этом способ однорастворной силикатизации с помощью кремнефтористоводородной кислоты более эффективен и дает значительную прочность закрепления порядка 2—4 МПа.

Закрепление мелкозернистых песчаных грунтов карбамидной смолой (КМ с отвердителем в виде 3%-ной или 5%-ной HCl) обеспечивает этим грунтам достаточно высокую прочность закрепления порядка 5 МПа, Способ смолизации, основанный на использовании карбамидной смолы и соляной кислоты в качестве отвердителя, успешно применяется в строительстве и в связи с развитием химии и удешевлением исходных для закрепления химических продуктов находит все более широкую сферу применения.

Способ смолизации карбонатных песков заключается в использовании для предварительной обработки этих грунтов, а также для гелеобразования растворов, кислот, образующих на поверхности карбонатов защитные пленки, препятствующие нейтрализации отвердителей из карбамидных золей. В качестве таковых используются растворы щавелевой и кремнефтористоводородной кислот.

Просадочные лессовые грунты закрепляются с помощью однорастворной силикатизации, в рецептуру которой входит раствор силиката натрия с плотностью 1,13 г/см 3 . Прочность закрепления 1,6—2 МПа.

Закрепление глинистых грунтов основано на явлении электроосмоса. При вводе в грунт химических растворов глинистому грунту сообщается водоустойчивость и ликвидируется пучинистость. Этот способ применяется для придания устойчивости откосам железнодорожных выемок в глинистых грунтах.

Прочно вошли в практику гидротехнического строительства тампонажные глинистосиликатные, силикатные и алюмосиликатные растворы.

В приводимую классификацию вошли два новых способа — аммонизация и газовая силикатизация, разработанные в 1968 г. Аммонизация предназначена для закрепления просадочных лессовых грунтов в целях придания им свойств непросадочности при обильном замачивании их в основании зданий. В основу метода положено свойство газообразного аммиака, вводимого в грунт под небольшим давлением через инъекторы, взаимодействовать с его поглощающим комплексом, в результате чего образуется высокодисперсный Са (ОН)₂, который в свою очередь, реагируя с кремнеземом и коллоидной кремневой кислотой грунта, образует известковистокремнеземистое вяжущее, стабилизирующее грунт [23, 43].

Газовая силикатизация применима для песчаных и лессовых грунтов. Она осуществляется по двум схемам: без предварительной обработки грунта углекислым газом — грунт + раствор силиката натрия +СО₂ и с предварительной обработкой — СO₂ + грунт + раствор силиката натрия + СО₂. В результате взаимодействия углекислого газа с раствором силиката натрия последний отверждается (выпадает гель SiO₂), что и сообщает грунту прочность и водоустойчивость. Предварительная активизация грунтов углекислым газом повышает прочность закрепления на 25—30% в инертных песках и на 50% в карбонатных песках и лессах [23, 43, 45].

Источник

Химическое закрепление грунтов

Закрепляемые грунты должны подходить по некоторым критериям, самым важным из которых является проницаемость. Дело в том, что малопроницаемые грунты (например, глинистые) не поддаются химическому закреплению, потому что нет возможности внедрения в них вяжущих материалов. Способы химического закрепления должны подбираться согласно результатам анализа грунта в определённой местности.

В 1931 году, когда только начали появляться первые способы химического закрепления, все разработки были основаны на применении силиката натрия, который является неорганическим полимером. Данный метод не имел перспектив, поэтому специалисты стали проводить исследования с целью внедрения гелеобразующих растворов в данную сферу. А с развитием технологий появлялись всё новые и новые способы.

Химическое закрепление грунтов

Методы химического закрепления грунтов

В настоящее время существует очень много методов, позволяющих грамотно провести химическое закрепление грунта. Давайте выделим наиболее эффективные из них.

Способ 1. Битумизация

Метод горячей битумизации используют, когда необходимо произвести закрепление полускальных или даже скальных пород, он применяется не так часто, но упомянуть его стоит. Этот способ основан на нагнетании расплавленного битума через специальные скважины, проделанные заранее. Когда он полностью остывает порода приобретает такое важное качество, как водонепроницаемость. К сожалению, остывает битум относительно медленно, так как он обладает очень низким показателем теплопроводности.

Недостатком метода является то, что до застывания процесс может сорваться из-за грунтовых вод, которые способны вытолкнуть битум, не достигший низкой температуры и высокого уровня прочности.

Существует также и метод, основанный на холодной битумизации, он отличается тем, что используется для химического закрепления песчаного грунта. Также холодная битумизация предполагает введение эмульсии вместо расплавленного битума. Этот способ применяется, когда необходимо придать грунту хорошую водонепроницаемость. Эмульсии должны быть однородные! Только так можно достигнуть хорошего результата.

Способ 2. Цементация

Под понятием цементации грунтов нужно понимать заполнение всех пустот и прочих пор, образующихся в крупнообломочных грунтах. Со временем должен образоваться цементный камень. Очень внимательно отнеситесь к выбору раствора, для этого подойдут следующие смеси:

Цементные.
Цементно-глинистые.
Цементно-песчаные.

Важно! Выбирайте раствор не только по составу, но и по водоцементному содержанию, которое имеет маркировку «В/Ц». Данный показатель может варьироваться от 0,4 до 1.

Обращайте внимание и на эти показатели при покупке, ни один из них не должен отклоняться от нормы:

Водоотделение за 2 часа – до 2%.
Подвижность по конусу (АзНИИ) – от 10 до 14 см.
Прочность после затвердевания (через 4 недели) при сжатии – 1-2 Мпа.

К сожалению, фильтрация полностью не прекращается, потому что частицы цемента, которые используются для химического закрепления относительно велики (50 мкм) для борьбы с микротрещинами!

Способ 3. Смолизация

Для закрепления грунтов можно использовать и смолы, температура которых во время полимеризации не должна превышать 10 градусов. Вот самые распространённые смолы, которые применяются для этого:

Фенольные. Они образуются из-за поликонденсации фенолов.
Мочевино-формальдегидные. Их также называют карбамидными, а образуются они вследствие поликонденсации формальдегида и мочевины.
Фурановые. Такие смолы образуются во время конденсации фурилового спирта.
Акриловые, являющиеся производными акриловой кислоты.

Специалисты рекомендуют использовать для химического закрепления грунтов именно мочевино-формальдегидные смолы, потому что они легко растворяются в обыкновенной воде, содержат уникальные отвердители, имеют небольшую вязкость, твердеют даже при низких температурах. Цена на такие смолы вполне приемлемая, что и делает их популярными.
Суть данного способа заключается в нагнетании специальных смол в грунт, они должны быть смешаны со специальным отвердителем (чаще всего применяется соляная кислота). Таким образом, достигается водонепроницаемость и прочность.

Инъектор, погружённый в грунт

Способ 4. Силикатизация

Метод, носящий название силикатизации, принято разделять на два варианта применения:

Двухрастворный. Такой способ силикатизации был придуман ещё в 1931 году, когда только появилось такое понятие, как химическое закрепление грунтов. Он заключается в введении специальной трубы в песчаный грунт. Через эту трубу происходит нагнетание силиката натрия (химическая формула – Na2OnSiO2) и специального раствора, основанного на хлористом калии (химическая формула – CaCl2). Данные компоненты образуют вещество, необходимое для закрепления грунта – гидрогель кремниевой кислоты. Таким образом, грунт обретает достаточно большую прочность. Единственный недостаток такого способа – это высокая стоимость.
Однорастворный. Такой способ подойдёт для закрепления песков, коэффициент фильтрации которых – 0,0006-0,006 см/сек. В грунт нагнетают фосфорную кислоту, смешанную со стеклом (в жидком состоянии). Прочность такого грунта, к сожалению, будет не такой прочной и водостойкой, как при двухрастворном методе. Но для устройства противофильтрационных завес он подойдёт хорошо.

Силикатизацию использовать не стоит, если грунт, который необходимо закрепить, пропитан различными маслами, смолами или даже нефтяными продуктами. А также важным критерием является скорость движения грунтовых вод, она не должна превышать 0,006 см/сек, иначе данный способ будет неэффективен!

Способ 5. Электрохимическое закрепление

Данный метод принято разделять на три части:

Электроосмос (для уплотнения и обезвоживания грунта).
Обмен натрия и кальция на алюминий и водород (специальные химические процессы для закрепления грунта).
Образование алюмогеля (структурообразование).

Электрохимический способ закрепления грунтов подразумевает комбинированное применение электрического тока и химических веществ. Он подойдёт только для грунтов, обладающих низкой проницаемостью! Все вещества должны вводиться только под действием электрического тока. Таким образом, происходит химическая реакция, делающая грунт более прочным!

Какое оборудование требуется для химического закрепления грунтов?

К проведению работ необходимо основательно подготовиться, вам потребуется следующее оборудование:

Инъекторы.
Установки, которые предназначены для бурения.
Пневматические молотки (предназначение – забивка инъекторов).
Насос для нагнетания химического раствора.
Компрессор (минимальное давление – 5 атмосфер).
Гидравлические домкраты для подъёма инъекторов (минимальная грузоподъёмность – 7-10 тонн).

Особого внимания заслуживают инъекторы, которые предназначаются для доставки химических веществ на определённую глубину, они забиваются в землю при помощи пневматических молотков. Выбирайте инъекторы, опираясь на необходимую глубину погружения, потому что данное оборудование отличается длинной и прочностью. От этого зависит и масса инъекторов, зная которую можно выбрать гидравлический домкрат, предназначенный для подъёма всего оборудования на поверхность после завершения работ. Если инъектор имеет массу 5 тонн, то грузоподъёмность домкрата должна составлять не менее 7-8 тонн!

Обратите внимание! В списке указано только универсальное оборудование, заранее узнавайте о необходимости приобретения дополнительного для какого-либо конкретного способа!

Схемы погружения инъекторов

Подведём итоги

Химическое закрепление грунтов – это сложный процесс, к которому необходимо отнеситесь максимально серьёзно. Выберите способ, который подойдёт для вашей почвы и найдите необходимое оборудование!

Источник